激光稳频中振动和剩余幅度调制的分析与控制.docx

激光稳频中振动和剩余幅度调制的分析与控制超稳光频振荡器由于其具有很高的光谱纯度和频率稳定度而被广泛地应用 于各种研究领域,例如光频率标准、高精密光谱、干涉仪的引力波探测和超稳微 波信号产生等Pound-Drever-Hall (PDH)锁频技术是获得窄线宽稳频激光的有 效的途径之一,它通过将激光锁定在高细度光腔的谐振峰之上来提高激光的频率 稳定度在PDH激光稳频中，周围环境的振动和剩余幅度调制(RAM)是很可能成为影 响激光频率稳定度的两个重要因素为了提高频率稳定度,本文重点围绕振动的 主动隔离、RAM的定量分析和RAM的主动控制进行探索和研究首先详细地测量和分析了运算放大器的开环响应，为后续对激光稳频系统中 各种反馈控制环路的设计和优化打下基础集成运放作为激光稳频、振动和RAM 的主动控制等反馈控制系统中伺服电路的重要组成部分，其开环响应会较大地影 响控制系统的稳定性和一些其它相关特性本文利用三种不同的方法测量和分析了运放(LF356)的开环响应，得到了开 环直流增益和 3 dB 带宽实验测量和分析发现一定情况下运放的闭环响应受到 开环响应的限制，因而在设计和优化高增益、宽带宽的电路时，须考虑运放的开环 响应，才能得到更接近实际情况的响应特性。

为了使测量系统免于环境中振动的影响，本文研究了一种基于压电陶瓷和压 电加速度计的小型振动主动控制系统采用电阻尼的方式代替机械阻尼来对系统 的机械谐振进行有效地压制，改善了系统的高频响应一个辅助的环路使用附着在PZT上的应变片探测位移变化，来消除由大的伺 服电路增益引起的直流漂移，保证反馈控制工作点的稳定通过这些改进后，系统 振动的压制带宽为1〜200 Hz,最大衰减量在〜20 Hz处，为60倍为了对更低频率的振动进行压制,还实现并讨论了采用音圈电机作为执行器 件振动主动控制方案实验测量发现采用主动控制后，振动噪声被压制到1X 10-7g/Hz1/2(1-20 Hz),控制带宽为2 Hz-600 Hz,最大压制比在20Hz处，约为100 倍通过建立系统的环路模型和噪声分析,还分析了系统的噪声来源和可行的改 进措施我们在理论上推导了包含RAM的PDH误差信号，并分析了由电光晶体双 折射效应和寄生标准具效应产生的 RAM 的定量模型当仅考虑晶体双折射效应而没有寄生标准具效应时,在存在高细度光腔情况 下的RAM模型仅仅引入了一个与光腔的对比度相关的常数因子,而并没有改变 RAM的特性提高光腔的对比度将有利于降低RAM的影响。

此外当寄生标准具处于几个典型位置时,系统地分析了 RAM对PDH误差信号 和锁频频移的影响利用数值计算讨论了高细度光腔的入射面或出射面与光腔发 生耦合情况下的RAM特性在实验上,本文实现并详细分析了采用独立一路进行RAM主动控制的方案 该方案在EOM前插入一块电光晶体来改善环路的高频响应,缓慢的温度控制环路 具有较大的动态范围和高的低频增益,用于获得稳定的宽带宽的控制环路当RAM主动控制闭环后,在平均时间为0.02-1000S范围内RAM被压制到小于 1X10-6,在平均时间为〜2s时达到最小值2 X 10-7相应的RAM引起的频率不稳 定度小于光腔的热噪声1X10-15(0.02 s-1000 s)通过对比两种设置下的压制比,一种设置是当激光没有被锁定时直接测量环 外 RAM 信号, 另一种是观测被扰动的激光和稳定的参考激光之间的外差拍频, 在实验上证实了高细度光腔的引入不会改变由晶体双折射效应产生的 RAM 的特性,确定该方案在PDH锁频一路能获得与RAM控制一路相同的RAM压制效果。